Усовершенствование синтетического живого бактериального препарата для лечения фенилкетонурии с помощью биосенсора

Nature Communications, том 12, номер статьи: 6215 (2021) Цитировать эту статью

13 тысяч доступов

22 цитаты

33 Альтметрика

Подробности о метриках

У пациентов с фенилкетонурией (ФКУ) генетический дефект фермента фенилаланингидроксилазы (ФАГ) приводит к повышению системного уровня фенилаланина (Phe), что может привести к тяжелым неврологическим нарушениям. Для лечения фенилкетонурии штамм SYNB1618 Escherichia coli Nissle (EcN) был разработан на платформе Synlogic Synthetic Biotic™ для разложения Phe внутри желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Этот штамм, созданный на клинической стадии, экспрессирует фермент фенилаланин-аммиаклиазу (PAL), метаболизирующий Phe, катализирующий дезаминирование Phe в нетоксичный продукт трансциннамат (TCA). В настоящей работе мы создаем более мощный штамм ФКУ на основе EcN за счет оптимизации активности цельноклеточной PAL, используя высокопроизводительный скрининг мутантных библиотек PAL на основе биосенсора. Ведущий кандидат на фермент из этого скрининга используется при создании SYNB1934, хромосомно интегрированного штамма, содержащего дополнительные функции метаболизма Phe и биобезопасности, обнаруженные в SYNB1618. В прямом сравнении SYNB1934 демонстрирует примерно двукратное увеличение активности PAL in vivo по сравнению с SYNB1618.

Метаболическое заболевание фенилкетонурия (ФКУ) характеризуется отсутствием или нарушением функции фермента фенилаланингидроксилазы (ФАГ). Пациенты с ФКУ не способны метаболизировать аминокислоту фенилаланин (Phe), что приводит к ее системному накоплению. Повышенные уровни Phe могут привести к тяжелым неврологическим осложнениям и инвалидности, если их не лечить. К счастью, ФКУ диагностируют посредством скрининга новорожденных уже более 50 лет, и если заболевание обнаружить и начать лечение в течение первых недель жизни, можно смягчить тяжелую инвалидность1.

Поскольку Phe является незаменимой аминокислотой, его потребление пациентами можно контролировать путем ограничения белка в рационе; однако многим пациентам не удается добиться длительного соблюдения диеты из-за строгого характера диеты. Действительно, прекращение диеты ФКУ во взрослом возрасте было связано с заметным снижением исполнительных функций и большим депрессивным расстройством2,3. Помимо контроля потребления Phe посредством диетического контроля, существуют два одобренных варианта фармакологического лечения. Один из этих вариантов, дигидрохлорид сапроптерина (КУВАН, BioMarin Pharmaceutical), является активатором ЛАГ для пациентов с фенилкетонурией, чувствительной к тетратгидробиоптерину (BH4). Сапроптерин представляет собой аналог BH4, который обеспечивает дополнительный кофактор и/или способствует продуктивному сворачиванию мутантного фермента PAH. Однако из-за своего механизма сапроптерин эффективен только у подгруппы пациентов с ФКУ с остаточной активностью ЛАГ, которая, по оценкам, составляет примерно одну треть популяции ФКУ4,5. Даже у пациентов, чувствительных к BH4, сапроптерин редко применяется в качестве монотерапии и его следует сочетать с параллельным диетическим лечением6. Другой вариант лечения, пегвалиаза (Palynziq, BioMarin Pharmaceutical), состоит из системного введения пегилированного фермента, разлагающего Phe, фенилаланин-аммиаклиазы (PAL). Однако эта терапия была связана с сообщениями о тяжелых иммуноопосредованных побочных реакциях и анафилаксии7,8. Сохраняется потребность в безопасных вариантах перорального терапевтического лечения пациентов с ФКУ, которые будут удовлетворять потребности всей популяции пациентов, независимо от возраста или генетического происхождения.

В последнее время наблюдается значительный интерес к применению синтетической биологии для создания и конструирования пробиотических организмов, которые могут оказывать терапевтические функции изнутри желудочно-кишечного (ЖКТ) тракта9. Ранее мы сообщали о создании и характеристике живого биотерапевтического продукта (LBP) SYNB1618 для лечения ФКУ10. Этот генетически модифицированный штамм Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) экспрессирует ферменты, в том числе PAL (StlA) из Photorhabdus luminescens и деаминазу l-аминокислот (LAAD) из Proteus mirabilis11, предназначенные для разложения пищевого и энтерорециркулирующего Phe до нетоксичных метаболитов в организме. ЖКТ (коричная кислота12,13 и фенилпируват14 соответственно). Сообщалось, что SYNB1618 значительно снижает уровень Phe в плазме у мышей Pahenu2/enu2 (мышиная модель фенилкетонурии), а также значительно предотвращает всплеск уровня Phe в плазме у здоровых приматов (NHP), которым вводили белковый болюс10. SYNB1618 оценивался в рандомизированном плацебо-контролируемом исследовании, впервые проведенном на людях, на здоровых добровольцах и пациентах с фенилкетонурией, где штамм оказался безопасным и хорошо переносимым, с дозозависимым увеличением содержания SYNB1618-специфических метаболитов Phe в плазме и моча15.